Verstehen der Luftstromgrundlagen für die richtige Auswahl des Gleichstromlüfters

16. Juli 2019 verfasst von Bruce Rose

Verstehen der Luftstromgrundlagen für die richtige Auswahl des Gleichstromlüfters

Gleichstromlüfter sind seit Jahren die erste Wahl in der Wärmemanagement-Toolbox eines Designers. Sie sorgen für eine effiziente Kühlung von Produkten, die eine Wärmeabfuhr von wenigen Watt bis mehrere hundert Watt erfordern. Um sicherzustellen, dass der richtige Lüfter ausgewählt wird, ist es wichtig, den Luftstrom des Lüfters an die Kühlanforderungen des Systems anzupassen. Dieser Blog behandelt die Grundlagen, einschließlich der ordnungsgemäßen Berechnung von Luftstrom- und Luftdruckparametern, der Abstimmung der Luftstromanforderungen auf die Betriebskurve eines Lüfters, die Auswirkungen des Parallel- oder Reihenbetriebs von Lüftern und die Auswirkungen der Lüfterdrehzahl.

Wichtige Luftstromparameter

Bevor ein Lüfter für ein bestimmtes System spezifiziert werden kann, sind einige Parameter bezüglich Luftstrom und Wärmeübertragung wichtig. Bewegte Luft kühlt Objekte effektiv, indem sie Wärme vom Objekt absorbiert und diese Wärme dann an eine andere Stelle weiterleitet, um sie abzuleiten. Die Menge der übertragenen Energie hängt von der Masse der sich bewegenden Luft, der spezifischen Wärme der sich bewegenden Luft und der Temperaturänderung ab, die an die sich bewegende Luft weitergegeben wird.

Energie = Masse * spezifische Wärme * Temperaturanstieg

Die Masse der bewegten Luft kann aus dem bewegten Luftvolumen und der Dichte der bewegten Luft berechnet werden.

Masse = Volumen * Dichte

Wird die zweite Gleichung in die erste eingesetzt, erhält man die Energie, die an das betroffene Luftvolumen abgegeben wird.

Energie = (Volumen * Dichte) * spezifische Wärme * Temperaturanstieg

Wenn Sie beide Seiten der Gleichung durch die Zeit teilen, erhalten Sie die folgende Form der Gleichung.

Leistung = (Volumen / Zeit) * Dichte * spezifische Wärme * Temperaturanstieg

Bei den meisten Anwendungen ist die überschüssige Leistung (Ineffizienz des Systems) bekannt und der Luftstrom (Volumen / Zeit) ist unbekannt. Somit kann die Gleichung wie unten dargestellt angeordnet werden.

Luftstrom = Leistung / (Dichte * spezifische Wärme * Temperaturanstieg)

Wie in unserem vorherigen Blog-Post besprochen, wird diese Gleichung häufig geschrieben als:

Q = [q/(ρ * Cp * ΔT)] * k
Wobei
Q = Luftstrom
q = Wärmeableitung
ρ = Dichte der Luft
Cp = spezifische Wärme der Luft
ΔT = die Temperatur, die die Luft ansteigt, wenn die abzuleitende Wärme absorbiert wird
k = ein konstanter Wert, abhängig von den Einheiten, die in den anderen Parametern verwendet werden

Die Dichte trockener Luft auf Meereshöhe bei 20 °C (68 °F) beträgt 1,20 kg/m3 (0,075 lbs/ft3) und die spezifische Wärme trockener Luft beträgt 1 Kj/kg °C (0,24 Btu/lb °F). Unter Verwendung dieser Werte für Dichte und spezifische Wärme wird die obige Gleichung wie folgt vereinfacht:

Qf = 3,2q/ΔTF
Qm = 1,8q/ΔTC
Qf = 0,09q/ΔTF
Qm = 0,05q/ΔTC
Wobei
Qf = Luftstrom in Kubikfuß pro Minute (CFM)
Qm = Luftstrom in Kubikmetern pro Minute (CMM)
q = Wärmeableitung in Watt
ΔTF = die Temperatur, die die Luft ansteigt, wenn die Wärme absorbiert wird, in °F
ΔTC = die Temperatur, die die Luft ansteigt, wenn die Wärme absorbiert wird, in °C

Luftdruck

Die obigen Gleichungen geben die Luftströmungsrate an, die zum Kühlen eines Produkts erforderlich ist. Es ist auch erforderlich, den Druck zu kennen, mit dem der Luftstrom vom Lüfter geliefert werden soll. Der Weg des Luftstroms durch das zu kühlende Produkt erzeugt einen Widerstand gegen den Luftstrom. Die Lüfter sollten so ausgewählt werden, dass sie einen ausreichenden Druck erzeugen, um das erforderliche Luftvolumen durch das Produkt zu zwingen und die gewünschte Kühlung zu ermöglichen. Die Berechnung des erforderlichen Drucks ist eine separate Aufgabe für jedes einzelne Produkt und kann nicht auf ähnliche Weise wie die Durchflussberechnung vereinfacht werden. Viele CAD-Produkte sind verfügbar, um den Luftdruck und die Luftströmungseigenschaften einer Konstruktion zu berechnen. Anemometer und Manometer dagegen dienen zum Messen der Luftgeschwindigkeit und der Druckeigenschaften nach Fertigstellung einer Konstruktion.

Beispiel eines rechnerischen Strömungsmodells sowie eines Luftstrom-Druck-Diagramms
Abb. 1: Charakterisierung und Darstellung von Luftstrom in Abhängigkeit vom Druck

Erreichen des erforderlichen Luftstroms und des Drucks

Basierend auf den Konzepten aus den vorherigen zwei Abschnitten müssen Luftstrom und Luftdruck vom Lüfter (oder den Lüftern) erzeugt werden, um die erforderliche Kühlung zu gewährleisten. Datenblätter von Lüfterherstellern liefern einen Wert für die Luftstromrate ohne Gegendruck, einen Wert für den Maximaldruck ohne Luftstromrate und eine Kurve des Luftstroms in Abhängigkeit vom Druck, der vom Lüfter verfügbar ist. Nehmen wir zum Beispiel ein Produkt, dessen Luftstromanforderungen auf der Grundlage der abzuführenden Wärme und der Lufttemperaturgrenzwerte mit 10 CFM oder mehr berechnet wurden. Das mechanische Design des Produkts wurde so charakterisiert, dass der in Abbildung 2 dargestellte Luftstrom-Druck-Verlauf erzeugt wird. Die gestrichelte Linie gibt den für das Produkt erforderlichen Mindestluftstrom an (ein größerer Luftstrom ist ebenfalls zulässig), während die orangefarbene Kurve das Verhältnis zwischen Druck und Luftstrom für das mechanische Design des Produkts darstellt.

Diagramm für Systemanforderungen an den Luftstrom in Abhängigkeit von der Druckkurve
Abb. 2: Systemanforderungen, Luftstrom in Abhängigkeit vom statischen Druck

Basierend auf den Kurven in Abbildung 2 wurde der CUI-Gleichstromaxiallüfter CFM-6025V-131-167 für das Projekt ausgewählt. Das Datenblatt für den Gleichstromlüfter gibt einen Luftstrom von 16 CFM ohne Gegendruck und einen statischen Druck von 0,1 inH2O ohne Luftstrom an und zeigt auch das Diagramm in Abbildung 3.

Diagramm, das die Luftstromleistung eines Lüfters über verschiedene Druckniveaus zeigt
Abb. 3: Leistungsdiagramm für CFM-6025V-131-167 von CUI

Durch Überlagerung der Systemanforderungen aus Abbildung 2 mit den Eigenschaften des Gleichstromlüfters aus Abbildung 3 wird das Diagramm in Abbildung 4 erstellt.

Diagramm der Überlagerung der Systemanforderungskurve und der Lüfterleistungskurve, um den Betriebspunkt zu berechnen
Abb. 4: Systemanforderungen und Lüfterleistung

Der durch den roten Kreis in Abbildung 4 hervorgehobene Betriebspunkt gibt den Druck und den Luftstrom für das System mit dem ausgewählten Lüfter an. Es ist zu beachten, dass die Luftstromanforderung mit 10 CFM berechnet wurde und der Lüfter einen Luftstrom von 11,5 CFM liefert. Für einige Anwendungen ist dies ein ausreichender thermischer Betriebsspielraum, während diese Lösung bei anderen Anwendungen möglicherweise nicht genügend Spielraum bietet.

Betrieb von Lüftern parallel oder in Reihe

Im Allgemeinen sorgen größere oder schnellere Lüfter für einen größeren maximalen Luftstrom und einen größeren maximalen Druck. Wenn ein einzelner Lüfter den erforderlichen Luftstrom oder Druck nicht liefern kann, können zwei oder mehr Lüfter parallel oder in Reihe betrieben werden. Der parallele Betrieb von Lüftern erhöht den maximal verfügbaren Luftstrom, erhöht jedoch nicht den maximalen Druck, während der Betrieb von Lüftern in Reihe den maximal verfügbaren Druck erhöht, jedoch nicht den maximal verfügbaren Luftstrom.

Das Diagramm zeigt die Leistung des Luftstroms einzelner, paralleler und in Reihe geschalteter Lüfter im Verhältnis zum Druck
Abb. 5: Betrieb von mehreren Lüftern in Reihe oder parallel

Die Leistungskurve für den Parallelbetrieb mehrerer Lüfter kann vom Anwender einfach erstellt werden. Die kombinierte Luftstrom-Druck-Kurve für mehrere Lüfter, die parallel betrieben werden, ist mit der Kurve für einen einzelnen Lüfter identisch. Die einzige Änderung besteht darin, dass die Luftstromwerte mit der Anzahl der parallel betriebenen Lüfter multipliziert werden.

Das Diagramm zeigt die Leistungskurven einzelner und paralleler Lüfter mit erhöhten Werten für parallele Lüfter
Abb. 6: Der parallele Betrieb der Lüfter multipliziert den Luftstrom mit der Anzahl der Lüfter

Die Leistungskurve für den Betrieb mehrerer Lüfter in Reihe kann auf ähnliche Weise erstellt werden, wobei sich die Druckwerte mit der Anzahl der in Reihe geschalteten Lüfter ändern. Letztendlich bieten mehrere parallele Lüfter die größte Verbesserung für Systeme mit hohem Luftstrom und niedrigem Druck, während mehrere Lüfter in Reihe die größte Verbesserung für Systeme mit hohem Druck und niedrigem Luftstrom bieten.

Diagramm zeigt die Luftstromleistung einzelner, paralleler und in Reihe geschalteter Lüfter mit variierendem Luftstromwiderstand
Abb. 7: Mehrere Lüfter in Systemen mit hohem und niedrigem Luftwiderstand

Auswirkungen der Lüftergeschwindigkeit

Die Drehzahl des Lüfters (U/min) kann durch die anfängliche Auswahl des Lüfters oder durch ein Lüftersteuersignal bestimmt werden. Das Ändern der Lüfterdrehzahl wirkt sich auf die Luftmenge, den Luftdruck, den Stromverbrauch und das vom Lüfter erzeugte akustische Geräusch aus. Diese Beziehungen werden durch sogenannte „Lüfter-Affinitätsgesetze“ beschrieben.

Lüfter-Affinitätsgesetze

  • Die vom Lüfter bewegte Luftmenge ist zur Drehzahl des Lüfters proportional.
    • CFM α U/min
      • d. h. 3 x U/min produziert 3 x CFM
  • Der Luftdruck des Lüfters ist proportional zum Quadrat der Drehzahl des Lüfters.
    • Luftdruck α U/min2
      • d. h. 3 x U/min produziert 9 x Druck
  • Die zum Betreiben eines Lüfters erforderliche Leistung erhöht sich um den Faktor der Lüfterdrehzahl.
    • Leistung α U/min3
      • d. h. 3 x U/min erfordert 27 x Leistung
  • Das von einem Lüfter erzeugte akustische Geräusch erhöht sich um 15 dB, wenn die Drehzahl des Lüfters verdoppelt wird.
    • Eine Erhöhung des akustischen Geräuschs um 10 dB wird vom menschlichen Gehör typischerweise als Verdoppelung des Geräuschpegels empfunden
Das Diagramm mit den Lüfter-Affinitätsgesetzen zeigt die Beziehung zwischen Durchfluss, Druck und Leistung
Abb. 8: Diagramm der Lüfter-Affinitätsgesetze

Fazit

Mit Kenntnis des erforderlichen Luftstroms und Drucks kann der richtige Lüfter (bzw. können die richtigen Lüfter) ausgewählt werden, um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten. Der parallele Betrieb von Lüftern oder der Betrieb von Lüftern in Reihe bietet Entwicklern zusätzliche Optionen, um die thermischen Anforderungen ihrer Anwendung zu erfüllen, wenn ein einzelner Lüfter möglicherweise nicht ausreicht. Die CUI-Gleichstrom-Axiallüfterreihe bietet eine Vielzahl von Leistungsmerkmalen, die Entwicklern Flexibilität bei der Auswahl zwischen Lüftergröße, Stromverbrauch, Geräuschentwicklung und vielem mehr ermöglichen.

Zusätzliche Ressourcen


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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
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